Över hela världen släpper växter ut cirka 100 miljoner ton monoterpener till atmosfären varje år. Dessa flyktiga organiska molekyler inkluderar många dofter som molekylen pinen - känd för sin fräscha doft av tall. Eftersom dessa molekyler är mycket reaktiva och kan bilda små aerosolpartiklar som kan växa till kärnor för molndroppar. Naturliga utsläpp spelar en viktig roll i vårt klimat. Därför är det viktigt för klimatförutsägelser att veta hur monoterpenutsläppen kommer att förändras när temperaturen stiger.

Liksom med pinen förekommer många monoterpener i två spegelbildsformer:(+) alfa-pinen och (-) alfa-pinen. Växter kan frigöra båda formerna av dessa flyktiga molekyler direkt efter biosyntes eller från lagringspooler i löv. Eftersom de två kirala eller enantiomera formerna har identiska fysikaliska och kemiska egenskaper, betraktas de ofta inte separat i atmosfärisk modellering. Men i en ny studie publicerad denna vecka i Nature , har forskare från Max Planck Institute visat att de två spegelbildsmolekylerna frigörs via olika processer i växten och att de reagerar olika på stress, särskilt torka.

Tre månader av torkastress i en konstgjord regnskog

Resultaten kommer från experiment utförda i en sluten konstgjord tropisk regnskog inom Biosphere 2-komplexet i Arizona som ursprungligen byggdes för att skapa ett självförsörjande ekosystem. Denna anläggning gjorde det möjligt för ett team av forskare från Max Planck Institute for Chemistry, University of Freiburg och University of Arizona att exakt kontrollera de kemiska och klimatiska förhållandena i skogen och mäta dess svar. Under tre månader satte vetenskapsteamet skogen under måttlig och sedan svår torkastress.

Med hjälp av gaskromatografer tog Joseph Byron en Ph.D. student på projektet från Max Planck Graduate School, bestämde timutsläpp av alfa-pinen, kamfen, limonen, terpinen och isopren. För att avgöra när växterna släppte ut vilken kiral form använde forskarna isotopiskt märkt CO₂ för att spåra fotosyntentiskt kol och introducerade "tung" koldioxid (13CO₂ ) till biosfärens luft vid vissa tidpunkter. Med hjälp av en masspektrometer kopplad till kromatografen kunde teamet sedan spåra vilka monoterpener som innehöll tunga kolatomer och vilka som inte gjorde det. Detta avslöjade vilka märkta föreningar som tillverkades och släpptes omedelbart av ekosystemet och vilka omärkta arter som kom från lagringspooler.

"Till vår förvåning betedde sig många spegelmolekyler annorlunda under torkstress", säger tidningens första författare Joseph Byron "Därmed märktes (-) alfa-pinen, medan (+) alfa-pinen, som vi mätte samtidigt, inte var det. " Det betyder att det tropiska regnskogens ekosystem släppte ut (-) alfa-pinen direkt efter syntes, medan spegelmolekylen kommer från lagringspooler i växten.

Mer torka leder till en daglig förändring av monoterpenutsläppen

Dessutom fann forskarna att allteftersom torkan fortskred frigjordes inte bara fler monoterpener, utan också maxvärdet i utsläpp flyttades till senare på eftermiddagen, och växterna släppte ut mer monoterpener från lagringspooler. Och det kan finnas en anledning till detta, misstänker projektledaren och atmosfärsforskaren

Jonathan Williams säger, "Vi misstänker att det senare utsläppet av monoterpener ökar sannolikheten för att moln kommer att bildas över skogen. Ju varmare det blir under dagen, desto mer ökar den vertikala blandningen av luften, vilket gör att de reaktiva flyktiga ämnena kan nå högre lager. av luft där de har större chans att bli aerosolpartiklar och så småningom grumla kondensationskärnor."

Max Planck-forskaren Williams drar slutsatsen från Biosphere 2-studierna, "För att förutsäga ekosystemsvar på stress exakt bör vi mäta och modellera utsläpp från kirala molekyler separat i framtiden. Detta är särskilt viktigt för Amazonas regnskog, för vilken klimatmodeller förutsäger fler torkar. i framtiden."

Gruppledaren från Max Planck Institute for Chemistry i Mainz tillägger, "Jag är fascinerad av det faktum att vi kan dechiffrera interna, enzymdrivna fysiologiska processer i skogen genom att mäta luftsammansättningen. Detta kommer säkerligen att hjälpa oss att belysa effekterna vi har observeras i den riktiga regnskogen också." Williams team har också bedrivit forskning i den brasilianska regnskogen vid Amazonas Tall Tower Observatory ATTO. + Utforska vidare

En chiral överraskning i regnskogen